File 을 읽고 쓸 때 `.tmp` 파일은 왜 필요할까

요구사항

애플리케이션에서 어떤 파일을 쓰고, 읽을 수 있어야한다.
파일은 반드시 완결된 내용을 갖춰야한다.

즉, "쓰는 중" 과 같은 상태는 허용하지 않는다.

구현 방법

/data/
 |--- data.snapshot
 |--- data.snapshot.tmp

1. data.snapshot.tmp 파일에 데이터를 쓴다.
2. data.snapshot.tmp 파일 쓰기를 완료한다.
3. data.snapshot.tmp 파일을 data.snapshot 파일로 이름을 변경한다.
4. data.snapshot 파일이 있는 경우, 덮어쓰기한다.

이런 순서로 구현할 수 있다.

.tmp 는 왜 필요할까?
.tmp 파일 이름은 temporary 임시파일로부터 왔다.
그럼 '임시' 파일이란게 왜 필요한지를 생각해보자.

파일의 완결성과 가시성

파일에 데이터를 '쓰는 중'이라면 어떻게될까?

문자열 "a b c d e" 를 3차례 걸쳐서 써보자

a b

a b c

a b c d e

문자열 "a b c d e" 를 모두 쓰고 나서는 반드시 파일을 저장해야한다.

저장된 파일을 열면 다음과 같이 써있을 것이다.

a b c d e

근데, a b c 까지만 쓴 상황에서 누군가 파일을 열었다고 가정해보자

a b c

이런 상태를 허용해선 안된다.
요구사항에서 파일은 완결된 상태를 가져야 한다고 했다.
여기서 완결이란, "모든 데이터가 파일에 쓰고 저장한 상태" 를 의미한다.

.tmp 파일이 필요한 이유

파일을 읽는 프로세스는 파일명 data.snapshot 를 읽는다.
파일을 읽는 프로세스에서는 이 파일이 쓰다만 파일인지, 완결된 파일인지 모른다. 그저 읽을 뿐이다.

읽기 프로세스는 .tmp 파일에 대한 visibility (가시성) 이 없는 상태다.

data.snapshot -> 완결된 상태만 허용
data.snapshot.tmp -> 쓰는 '중' 인 상태 허용

읽기 프로세스는 data.snapshot.tmp 파일에 접근하지 않는다.

대신 쓰기 프로세스가 data.snapshot.tmp 파일에 다음과 같이 쓸 수 있다.

a b

a b c

a b c d e

data.snapshot.tmp 파일에 a b c d e 를 모두 입력 완료하여 파일을 저장했다.

이제 간단하다.
data.snapshot.tmp 파일을 data.snapshot 파일로 덮어쓰면 끝이다.
기존 data.snapshot.tmp 파일은 제거하면 된다.

이런 식으로, 일부만 써진 상태 (Write In Process) 를 없애 완결된 파일만 쓰고, 읽을 수 있도록 제한할 수 있다.

실전 코드

위에서 설명한 방식을 Kotlin 코드로 작성해보자.

import java.nio.file.Files
import java.nio.file.Path
import java.nio.file.StandardCopyOption

class FileManager {
  fun saveSnapshot() {
    Files.createDirectories(baseDir)

    val tmp = baseDir.resolve(SNAPSHOT_TMP)
    val target = baseDir.resolve(SNAPSHOT)

    DataOutputStream(BufferedOutputStream(
      Files.newOutputStream(tmp),
      BUFFER_SIZE)
    ).use { out ->
      out.write() // ..
      }
    }

    // Atomic rename within the same dir: a reader sees either the old snapshot or the complete new one.
    // No fsync — the snapshot is a startup optimization, rebuildable from the Kafka dedup-store topic.
    Files.move(
      tmp,
      target,
      StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE,
      StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING
    )
  }

  companion object {
    const val SNAPSHOT = "data.snapshot"
    const val SNAPSHOT_TMP = "data.snapshot.tmp"
  }
}

위 함수는 data.snapshot.tmp 파일에서 data.snapshot 파일로 bytes 를 복사하지 않는다.
파일명 변경 명령어 (rename)는 메타데이터 명령어로, 기존에 data.snapshot 파일의 inode/data 를 원자적으로 새로운 data.snapshot 파일을 가리키도록 변경한다.
Windows, Linux 등의 운영체제는 rename 명령어를 Atomic 하게 설계해놓았다.

이렇게하면 아래 2가지 상황만 가능하다.

1. 덮어쓰기 전에 파일 읽기 -> 이전 버전의 data.snapshot 파일 읽기
2. 덮어쓰기 후 파일 읽기 -> 새로운 버전의 data.snapshot 파일 읽기

어느쪽이든 완결된 파일을 읽는다.
Atomic 한 연산으로 써지기 때문에 "일부만 써진" 파일이 존재할 수 있는 시간이 아예 없다.